6.1 (六) - CCM Interleave PFC电感纹波电流的计算

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评论 收藏 上传者:hi5
各位电源工程师大家好,我邵革良 现在我们开始讲我们这个讲座的第六讲 CCM 交错并联的 PFC 有关纹波电流的计算方法 前面我们讲了两讲,一个是 CRM 模式 一个是 CCM 模式单路的 PFC 电感的计算 电感电流的波形的计算 那么现在呢我们这个交错并联呢 其实是借助在前面单路的基础上进行的 好,大家看到我们这个图 那么上面呢这一部分就是我们实际上 交错并联啊就是这个比较简单的拓扑啊 那么我们把这个波形 右下角这个波形我们简单说明一下 底下这两个波形呢是 L1 和 L2 的电流波形 那么为什么不一样呢 是我把这个量程啊做了一个 为了让大家看得清楚把量程调整了 就是说我们这个紫颜色的部分呢 是10安培一个格,那么绿颜色的部分呢 是5安培一个格,把它放大了 所以说其实这两个是完全重叠的电流一模一样 只是说它工作的时候 高频的时候呢是交错180度 那这两个电流就是两个电感呢把它叠加在一起 就在这个地方 iAC 这个地方 iAC 呢就是等于 i,啊不是 iAC 啊 就是这个地方就是 iL1 和 iL2 那么 iAC 跟这个区别是什么 就是一个反向的就是这个地方 然后叠加之后就是红颜色的波形 那么 iAC 呢是把这个正弦波 就倒过来反过来有这个半边 其它区别是整流和不整流的问题 那么好,从我们这个图形来看啊 很大的一个纹波对吧 同样这个十安培的量程 这上面这个红颜色是也是十安培的量程 那么可以看到这个很大的纹波叠加之后呢 纹波就变得小了很多是吧 特别是在这些地方啊都可以接近于零 那我们前面讲过这些 接近于零的地方是什么地方 就是双路交错并联啊 实际上是50%占空比的地方 所以这个地方一定是50%占空比 就是不管你纹波多大,单路的叠加完之后 一定是没有,就是我们利用了这个特点 就是宁可把这一部分的纹波控制好 这些地方呢大了也不要紧 它会叠加都会被它接得很小 所以说我们在这个设计里面呢 最关注的就是最大的电压的时候 对应的这个时候电流纹波 那么叠加之后尽可能缩小把它做小了 其它地方都是小的,实际上是这么一个特点 好,既然是这样呢 那么我们就会把按这个最高点,还是按最高点 这一个瞬时一个时刻就是把它展开 把这个地方电流波形取出来 取出来呢就放到这上面来,所以这是这个图 那么这个紫色的呢就是下面的电流波形 绿色的呢就是上面这个电流波形 然后这个红色是表示两个电流波形叠加 所以在某一个最顶端的这个时刻 实际上我们放大了就是这么一个这个波形 那这个波形呢,我们现在讲解的是啊 占空比小于50%来做 那么什么时候小于呢 我们其实这个图里面仔细你去分析一下 你会发现其实这一段都是小于的,上面这一段 在这个地方是50%,下面才是大于50%的 因为电压越低的时候输出电压越高 占空比肯定是大是吧 那么这个电压输入电压越高 输出电压的固定的情况下 那么占空比呢就是电压越高占空比越小 所以到中间我刚才讲的这个50%呢是完全抵消 所以为零,所以这是个零这是一个分界点 这个前面肯定是大于50%,后面是小于50% 当然你也可以不用去判断它到底哪个大哪个小 我们只要画出图就可以了 好,那我现在呢就把它图画出来 我现在是画出一个小于50%的波形 那么当然这个底下呢是有直流分量的 我就不考虑了,我们关心的是这个交流分量 这部分叠加之后的交流分量到底是多少 我们关心这个,只要这个控制得足够小 我们 EMI 就解决了是不是 所以说我们 PFC 就要解决这个问题 峰值电流也不能太大 那么这样叠加的话呢 我们从这个几何波形画法呢你就会发现 我们这一点加上这一点就等于这个红颜色 所以红颜色是从这个地方开始对吧 从这个因为这是这个交流分量,这地方是零嘛 底下是直流嘛是吧 我们从这个波动的地方,这是最小的地方嘛 最小的加这一段 那么它这个红颜色就是这一段的差距 然后呢最顶端呢这一块呢是什么呢 等于这个绿的加上这一节 x 是吧 所以说这一节就是 x 就是这个地方 就是它就会把它提高了,就是画起来 叠加之后是这样 它加它就等于这样,那同样它加它 这个地方是零是吧 交流分量为零,那就是这一段 y 所以这个地方是 y ,这个地方是 它峰值加上 x,所以这么画完之后 我们就发现这个红颜色 实际上是这么一个三角波 它是倍频的,就是频率提高了一倍 你看是吧这是一个整周期嘛是吧 这个地方是一个整周期嘛,是这意思吧 到这是半周期嘛是吧 DT 加上二分之 T 减 DT 那么两个加起来肯定是半周期对吧 就半周期再进入下一个波形的时候呢 实际上这个地方正好是180度交错 也就是说它半周期的时候 叠加之后就是一个整周期 就是这个叠加的波形相当于一个整周期 也就是说呃这个是倍频的 那么知道了这一种 这个几何的叠加方法 所以说我们就可以去计算它的峰峰值对吧 峰峰值就是这一段,我们就是 △IIN 就是想知道这个,就是把这两个电感的 电流的叠加之后的峰值峰值 那么我们看左边,左边呢是这样的 实际上呢峰值呢我们就等于 这个最大值减去这个最小值,对不对 那最大值等于多少呢 等于这个绿的加上这个粉的 或者是这个紫的是吧 这个绿的加上这个紫的减去这一段 这一段是绿的是吧,绿的对吧 加上这个紫的是吧,这个紫颜色的就是 x 然后呢再减去一个绿的 在这个时刻,就是1/2周期 这个时刻的绿的在这 所以说那么我们1/2的绿的时候是这个 把这个都整理出来,就得到了两倍的输入电压 减去 Vo 除以 L 乘上 DT 但是这个输入电压是指什么 是指这一个点的电压 这个黄颜色是指输入电压波形啊 那么也就是这一点电压 也就是220进来时候这个地方是311伏是吧 也就是说这个地方呢 Vin 是最大值 实际上是这个意思 就是311伏的两倍减去380伏 比如说输出电压是稳在380伏上 除以这个电感量再乘上 DT 对吧 那 D 呢我们前面算过了 其实呢这个因为在这一点上的时候 输入电压知道输出电压知道是吧 那么我们这占空比自然就算出来了是吧 所以说这都是已知量 T 呢是 f 分之一是吧 f 是频率频率是我们固定的 100K 也好 150K 也好,或者 50K 也好是我们定的 所以这都是已知量。那么从这个里头来讲呢 就是我这个峰峰值两个叠加起来 峰峰值呢是跟电感和输入输出电压相关 和跟我们频率相关对不对 那个这个 D 呢是指占空比 是跟我们输入输出电压相关 就是说它里头就没有什么未知数了 那也就是它 L 跟这个 △ 有关系就是这个意思 那同样道理呢我在这一段小于50%的 那我就是说也可以画出这个波形 小于50%什么意思呢 占空比大于50%的,不是小于 大于50%的时候它的占空比是什么 就是肯定是爬的时候爬得很慢嘛 就往这边来了嘛是吧 然后向下的哗就下去了嘛 所以这样会大于50%嘛 也就是往左边倾 我们画的大于50%呢 就往右边倾的波形 那同样画两个这样的波形之后 我们也可以画出这个红颜色的波形 红颜色的波形呢 最后也会发现整理之后呢是得到这么关系 就是输入的呀就311伏这个地方 假设220最大值啊,就是220的峰值 311伏除以这个电感量乘上什么 两倍的占空比减去一,然后除以一个频率 或者是乘上这个周期 所以说可以整理出这么个关系 那么到这现在为止,我们整理的这个关系 它合成了之后呢 那我只要知道我的占空比是多少 是大于0.5的还是小于0.5的 我就知道我的纹波按什么公式来算 实际上是这个关系 那么前面呢我们讲过这个占空比怎么算是吧 所以说先把占空比算一下 我在这个电压输入的情况下 那么我的占空比是多少 那如果是小的那我就用这个公式 大的用这个公式,所以这样就非常好算 然后呢真正我们前面有讲过 连续模式单路的时候的 那个电感量计算方法对不对 么这个呢我们跟单路有什么不一样 双路的跟单路就是一个电感 和两个电感的区别嘛是吧 一路和两个区别嘛 也就是说我们把输出功率除以二 那就等于单路的 Boost 必须要做的事情是吧 那么它唯独不一样呢 就是说两个叠加之后的电流纹波是多少 所以我这地方只讲了 我们叠加的电流纹波是多少 没去讲那个除以二的时候的 那个电感量怎么算对吧,那个电感量怎么算 就是按照我们上一节讲的 连续电流模式的单路的这个算法 那么只是把那个输出功率呢 按我们现在有需要设计的 输出功率算一半就可以了 那么知道了上面的这些公式进行计算方法 那么我这是一个例子啊,这个例子也是这样 我把这个 γ 放在这 就是说我们 γ 选多少 比如说我选15%是吧,我去选择15% 那我有这么个例子 就是220的交流电输入的情况下 我输出电压呢418伏对吧 我这是个通讯电源 比如说我是额定的电压是54.5伏 这时候我要做50安培对吧 我的假设我这个电源的整体的效率97% 挺高的啊,那么这个工作频率呢我设在 110K 好这个时候呢我想知道的是 我的电感要一个什么样的电感是不是 那么我们就可以把按照前面的制造的这个故事 我把这个两个乘积就是功率对吧 除以这个效率再除于一个 PF 我假设是0.99对吧 那这个地方有了,就是我的假设这个效率是吧 那么把这个算进去呢 我取它一半的功率就是单个电感的算法是吧 单个电感呢我们可以按前面的那个计算方法呢 可以算出单个电感的峰值电流是多少是吧 单个电感的有效值电流是多少是吧 然后单个电感的这个峰峰值 是多少都算得出来的 那唯独算不出来的就是说我们合成之后的 峰峰值就是 L1 加 L2这部分的峰峰值是多少 那 L1 加 L2 呢我就按前面我们占空比 这地方先算这个占空比对吧 占空比不同的时候 那么我们选的公式就不一样对吧 选了那个公式然后呢我放进来 那么这样的话呢就可以算出 我叠加之后的电流波形 然后把叠加电流波形算出来 把整个的这个电流啊 这个当然是指我们输入的两个电感叠加之后 这是有效值啊,这是满功率的 那么在里头占的比例,占的比例是多少 如果这样的话呢,把它这一个公式全部列出来 全部写了这个表格,那我只要把这个表格呢 进行一定拷贝都拷到一堆来 然后把这个输入电压都改了是吧 从我的最小的输入一点点往下加 我当然我现在列了五个 我可以列成50个也行是吧,每一伏编一个是吧 那这样的话全部列出来之后 然后我假设这个电感呢 我随便敲一个180微亨对吧 你也可以敲1800微亨都可以啊 随便敲敲完之后,自然这些档案就全部出来了 出来之后呢你再去调整它,调整它呢 我们是每一个输入电压情况下 所对应的γ都小于15% 那么这个电感量就是我们所要的电感量 那么这个电感量就是我们所要的电感量 是可以这么去做,这就非常方便 当然你可以把这些这些输出的数据啊 跟这个电压的关系啊列出一个曲线来是吧 画出一个曲线呢 你可以看到每一个地方那都怎么变化的 那个变化的过程是怎么样的 但是前提一定是平滑变化啊 如果突然到某一点上啪就跳起来 说明你的公式肯定写错了 不连续的是不可能的 比如说我这个地方176 后面我改成177的时候 那差了一伏这个百分比以从7.1就变成了14 那肯定是错的对吧 然后7.1可能变成7.1几的这个是可能是对的 所以一定是连续就是连续变化的 那么好,我们从这个地方 我假设看到我发现额定的时候 这是额定的电流是吧 那么这个时候呢我15%都在这里头 这是我认为180可以 我额定的情况下 我就可以得到这三个参数 前面讲的就是我最大的峰值电流是多少呢在这 峰值电流呢是这个地方是11安培,这个电感 然后呢这单个电感的有效值呢是6.5安培 然后呢我有效值知道了,到了这个时候呢 我峰值电流的时候必须要满足180微亨对不对 那有效值干什么用呢 这个6.5安培呢就是说我内阻不能太大 内阻太大的时候,I 的平方乘上二 这个是线圈的发热,就是低频的发热是吧 直流的发热。那么这部分呢 就是来决定你的线的导线的粗细来决定的 那么知道了这些参数 其实我们一个 PFC 电感呢 就很容易交给供应商 让它给我们打样是吧 那么当然我们也可以去算这个电感 比如说用磁环来做是吧,用铁硅铝来做 或者用铁硅来做,那么你可以去通过那个 铁硅铝的一些电感量的算法 你可以算出来你绕多少圈是吧 然后多少圈呢,那么你选择一个线的粗细 看看能不能绕得下,那么如果绕不下 就那就说明你的电感 选的那个尺寸太小了对吧 那么线得粗细怎么选呢 那就是跟你这个有效值来选对吧 因为你按那个线粗细 你绕进去之后你的总长度就出来了 总长度出来之后你的内阻就知道了 内阻乘上你这个6.5的平方,如果瓦数很大 那你发热肯定散不出去对不对 除非你拿风吹着 那么你拿风吹着,你说这个东西可以的 那你这个选的线径也是可以的 这个线径越细呢,高频的影响越小 但是呢相反你内阻越大,所以说直流损耗就大 所以说这个设计的时候呢 是一个综合一个平衡的问题 那么有关连续的交错式的这个 PFC 的设计呢 就是这么一点内容,其实是非常的简单 好,谢谢大家
课程介绍 共计25课时,5小时51秒

PFC电源设计与电感设计计算


讲师

讲师: 邵革良

田村(中国)企业管理有限公司上海研发中心 所长中国电源学会专家委员会 委员中国电源学会磁技术专业委员会 委员中国电源学会磁元件技术服务专家组 副组长中国电源学会标准化委员会 委员深圳市科技专家协会 科技专家深圳市科技创新委员会 专家 20年的一线电源研发的资深经验,先后从事并主持过电机调速变频器、逆变焊机、通信一次电源系统、电力系统直流操作电源系统、CBB波音商用飞机宽带互联网机载电源系统、高效率DC/DC砖块电源、电流传感器、变频空调及光伏逆变器、新能源汽车等各种新型磁元件的众多研发项目。 拥有众多的与国际一流研发团队的合作经验,并精通于电源和磁元件产品的可靠性研发管理和实践。特别是在新能源磁元件领域,通过大量的原创性技术创新和行业应用推广,引导着世界功率磁元件的技术变革。 其中完成电源及磁技术等领域多国专利申请40余项,并已取得7项国家发明专利受权。

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